DE3232525A1

DE3232525A1 - Sinterverfahren fuer pulver-geformte produkte hoher dichte

Info

Publication number: DE3232525A1
Application number: DE19823232525
Authority: DE
Inventors: Takao Fujikawa; Junichi Kobe Miyanaga; Masato Miki Hyogo Moritoki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1981-09-01
Filing date: 1982-09-01
Publication date: 1983-03-17
Also published as: DE3232525C2; JPS5839707A; JPS6241281B2; US4448747A

Description

56-138012

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein sogenanntes isostatisches

Heißpreßverfahren (das im folgenden als HIP-Verfahren bezeichnet wird), bei dem Pulver-geformte Produkte aus Keramik oder Metall unter einer Gas-Atmosphäre mit ho- IQ her Temperatur und hohem Druck gesintert oder verdichtet werden.

Das HIP-Verfahren hat in den letzten Jahren auf verschiedenen Gebieten Interesse erweckt als ausgezeich-,pnete Technik zur Erzeugung von gesinterten Produkten hoher Dichte aus pulverisierter Keramik, pulverisierten Metallen oder einem Gemisch davon, wobei Rest-Poren in Sinter-Carbiden (cemented carbides) unter Kollabieren oder unter Bildung von Diffusionsbindungen zwischen Metallmaterialien durch den isotropen Druck der bei Hochtemperatur zu verarbeitenden Körper unter Anwendung eines Inertgases als ein Druckmedium ausgeräumt werden. Da das HIP-Verfahren unter einer Gas-Atmosphäre bei hoher Temperatur und hohem Druck angewendet wird, muß es

unter Anwendung kostspieliger HIP-Vorrichtungen durch-25

geführt werden, die mit speziellen Strukturen ausgerüstet sind, sowie während eines langen Betriebszykluszeitraums, einschließlich der Stufen der Temperaturerhöhung, der Drucksteigerung, der Temperaturverringerung und der Druckverringerung. Somit stellt es gegenwärtig ein bedeutendes technisches Problem dar, die Zykluszeit zu verkürzen, um die Produktivität des HIP-Verfahrens zu verbessern. Um das vorstehende Problem zu lösen, wurde zur wirksamen Verwertung der HIP-Vorrichtung bezüglich ihrer Betriebszeit empfohlen, die zeitraubende Heizstufe zur Temperaturerhöhung in einem Vorheizofen durchzuführen und anschließend die Druckerhöhungsstufe allein oder in Kombination mit nur einer leichten Temperaturerhöhung in der HIP-Vorrichtung auszuführen.

-ει Zwar läßt sich dieses empfohlene Verfahren vorteilhaft auf Materialien, wie beispielsweise pulverisierte Metalle, anwenden, die in Stahlkapseln eingekapselt sind, oder auf gegossene Materialien mit Gußfehlern, die keinen speziellen Erwägungen hinsichtlich der Vorheiz-Atmosphäre unterliegen, durch Anwendung eines. Vorheizofens relativ einfacher Struktur, jedoch kann ein derartig einfacher Vorheizofen nicht auf ein Verfahren angewendet werden, das ein Vakuum oder andere spezielle Atmo-Sphären erfordert, beispielsweise auf das vorausgehende Sintern von geformten Produkten aus keramischem oder metallischem Pulver,' gefolgt von einer weiteren Verdichtungsstufe im HIP-Verfahren. Die Methode zur Anwendung des vorausgehenden Sinterns und des anschließenden HIP-Verfahrens auf Pulver-geformte Produkte stellt ein wichtiges Verfahren zur Herstellung von Sinter-Carbid-Geräten, keramischen Geräten, Ferritmaterialien und dergleichen dar. Da das vorausgehende Sintern jedoch gewöhnlich in einem Vorheizofen komplizierter Struktur durchgeführt wird, der ausschließlich hierfür entworfen wurde, und die gesinterten Produkte in die HIP-Vorrichtung nach einmaligem Abkühlen nahe auf Raumtemperatur eingeführt werden, ergibt sich ein großer Wärmeenergieverlust. Zusätzlich erfordert das Vorerwärmen der gesinterten Produkte in der HIP-Vorrichtung eine längere Betriebszeit der HIP-Vorrichtung, d.h. eine längere Zykluszeit für das HIP-Verfahren.

Um den Wärmeenergieverlust in dem HIP-Verfahren zu vermeiden, empfiehlt die JA-OS 25061/19 72 einen Ofen für das Vakuum-Sintern und Anlegen.von Druck, bei dem sowohl das Vakuum-Sintern als auch das HIP-Verfahren in einer Vorrichtung durchgeführt werden. Jedoch müssen die PuI-ver-geformten Produkte nach dieser empfohlenen Technik zuerst unter Vakuum zu vorgesinterten Produkten in der HIP-Vorrichtung gesintert werden. Bekanntlich besteht eine große Zeitdifferenz zur Erhöhung der Temperatur auf ein bestimmtes Ausmaß für das vorausgehende Sintern

zwischen dem Zustand unter Druck und einem Zustand von atmosphärischem oder verringertem Druck, und es ist eine wesentlich längere Zeit unter atmosphärischem Druckoder verringertem Druck-Zustand erforderlich als für den Zustand unter Druck. Beispielsweise weist Argongas bei einem hohen Druck von etwa 1000 bar (-1000 kg/cm ) eine Viskosität von nur 1,1- bis 3-fach so groß wie die von Argongas unter Atmosphärendruck auf, obwohl seine Dichte mehrhundertfach höher ist als die des letzteren.

Daher tritt eine heftige Konvektion auf, wodurch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung durch Konvektion stark erhöht wird, wodurch die Wärmeübertragung von der Ofen-Atmosphäre auf das zu sinternde Material beträchtlich vergrößert wird. Wenn daher das vorausgehende Sintern unter Vakuum oder Inertgas durchgeführt werden soll, bei höchstens Anwendung von atmosphärischem Druck in der HIP-Vorrichtung, würde die Zeit zur Temperaturerhöhung durch die Verringerung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit verlängert werden, und darüber hinaus würde zusätzliehe Zeit zum Abzug und zum Ersatz von Rauchgas erforderlich werden, wodurch die Arbeitsleistungsfähigkeit der relativ kostspieligen HIP-Vorrichtung beträchtlich verschlechtert wird und die Kosten der Produkte steigen. Da die Größe des Hauptkörpers der HIP-Vorrichtung maßstabsgerecht vergrößert wurde und somit die HIP-Zykluszeit vorwiegend auf Grund der zunehmenden Produkte in der letzten Zeit, werden verschiedene Gegenmaßnahmen zur Verringerung der Zykluszeit zur Verbesserung der HIP-Vorrichtung angewendet, wie die Verwendung eines

QQ Kompressors mit verbesserter Wirksamkeit und vergrößerter Kapazität, die Vergrößerung der Heizvorrichtung und dergleichen. Jedoch ist der Verbesserung der Vorrichtung per se auf Grund der erhöhten Kosten eine gewisse Grenze gesetzt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden Untersuchungen vorgenomme: , um die verschiedenen vorstehenden Probleme des Stands der Technik zu überwinden. Dementspre-

-δι chend ist das Ziel der Erfindung die beträchtliche Verkürzung der HIP-Zykluszeit und die Verbesserung der Arbeitsleistungsfähigkeit der kostspieligen HIP-Vorrichtung im Hinblick auf das vorausgehende Sintern und das anschließende HIP-Verfahren, um dadurch eine beträchtliche Verbesserung der Produktionsfähigkeit zu erzielen· durch kombinierte Anwendung einer speziellen Vorrichtung und einer geeigneten Kombination der spezifischen Stufen einer derartigen Vorrichtung.

Durch die Erfindung wird zuerst ein Verfahren bereitgestellt zum Sintern von Pulver-geformten Produkten hoher Dichte durch Anwendung eines vorausgehenden Sinterns auf Pulver-geformte Produkte, die vorausgehend zu einer vorbestimmten Gestalt bzw. Form geformt worden waren, und anschließende Anwendung eines isostatischen Heißpreßverfahrens auf die gesinterten Produkte, wodurch gesinterte Produkte hoher Dichte erhalten werden, wobei bei dem Verfahren die Pulver-geformten Produkte in einen beweglichen Heizofen beschickt werden, der mit einer Heizvorrichtung und mit einer wärmeisolierenden Struktur ausgerüstet ist, der Heizofen in eine Atmosphären-Kammer eingeführt wird, wobei die Pulver-geformten Produkte in dem Heizofen durch die Erwärmungsvorrichtung vorausgehend gesintert werden, wobei das Innere der Atmpshären-Kammer auf ein Vakuum oder eine vorbestimmte Gas-Atmosphäre konditioniert wird, wonach der Heizofen aus der Atmosphären-Kammer entnommen wird, wobei das Innere des Heizofens so, wie es ist, bei einer hohen Temperatur gehalten wird, und der Ofen direkt

QQ in ein Hochdruckgefäß eingeführt wird, wonach die vorausgehend gesinterten Produkte einer isostatischen Heißdruckverfahrensbehandlung in dem Ofen unterzogen werden, während ein Gas als Druckmedium unter Druck in das Hochdruckgefäß beschickt wird und die Temperatur in dem Heiz-

_g5 ofen durch die Heizvorrichtung erhöht wird, wodurch man gesinterte Produkte hoher Dichte erhält, worauf der Heizofen zusammen mit den darin beschickten gesinterten Produkten aus dem Hochdruckgefäß nach der beendeten isosta-

_ 9 tischen Heißdruckbehandlung entnommen wird.

Zweitens wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Sintern von Pulver-geformten Produkten hoher Dichte bereitgestellt durch Anwendung eines vorausgehenden Sinterns auf Pulver-geformte Produkte, die vorausgehend zu einer vorbestimmten Gestalt geformt wurden, und anschließende isostatische Heißdruckverfahrensbehandlung der gesinterten Produkte, wodurch gesinterte Produkte hoher Dichte erhalten werden. Bei dem Verfahren werden mehrere bewegliche Heizöfen verwendet, wobei jeder mit einer Heizvorrichtung und einer wärmeisolierenden Struktur ausgerüstet ist; auch werden eine oder mehrere Atmosphären-Kammern und eine Hochdruck-Kammer angewendet. Bei dem Verfahren werden die aufeinanderfolgenden Stufen des Beschickens der Pulver-geformten Produkte in dem ersten Heizofen, des Einführens des Heizofens in die Atmosphären-Kammer, des vorausgehenden Sinterns der Pulver-geformten Produkte in dem ersten Heizofen durch die Heiz-Vorrichtung unter Konditionieren des Inneren der Atmosphären-Kammer auf ein Vakuum oder eine vorbestimmte Gas-Atmosphäre und des anschließenden Entnehmens des Heizofens unter Halten des Inneren des Ofens so, wie es ist, bei einer hohen Temperatur aus der Atmosphären-Kammer und des direkten Einführens des Ofens in das Hochdruckgefäß und des anschließenden isostatischen Heißpreßverfahrens auf die gesinterten Produkte in dem Heizofen, während ein Gas als Druckmedium unter Druck in das Hochdruckgefäß eingeführt wird und die Temperatür in dem Heizofen durch die Heizvorrichtung erhöht wird, wiederholt. Außerdem wird ein zweiter Heizofen, der mit den Pulver-geformten Produkten beschickt ist, in die Atmosphären-Kammer eingeführt, und die Pulvergeformten Produkte werden vorausgehend in gleicher Weise wie "vorstehend im Falle des isostatischen Heißdruckverfahrens gesintert, und der zweite Heizofen wird, während das Innere des Ofens so, wie es ist, bei hoher Temperatur gehalten wird, in das Hochdruckgefäß eingeführt,

-ιοί aus dem der erste Heizofen entnommen wurde, nachdem das isostatische Heißpreßverfahren beendet war.

Bevorzugte geformte Produkte, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar sind, sind beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, geformte Produkte, die pulverisierte Keramik, pulverisierte Metalle oder Gemische davon umfassen, die zu vorbestimmten Formen geformt wurden. Derartige geformte Produkte können auf beliebige Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Spritzen bzw. Spritzguß, Kautschukpressen, Strangpreßbzw. Extrusionsformen, Heißpressen und hydrostatisches Pressen, und sie weisen eine relative Dichte von etwa 60 bis 95 %, bezogen auf die theoretische Dichte des betreffenden Materials auf. Im Falle der Verwendung von Formungshilfen, wie organischen Bindemitteln, beim Formen, ist es günstig, vorher eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur unter etwa 1000 C vorzunehmen, um sie durch Zersetzung, Verdampfen oder dergleichen zu entfernen. Darüber hinaus kann es in manchen Fällen notwendig sein, eine Maschinenverarbeitung oder eine andere Behandlung der geformten Produkte vorzunehmen, um deren Form oder die Genauigkeit davon in geeigneter Weise einzustellen.

Die so hergestellten geformten Produkte werden in einen beweglichen Heizofen beschickt, der Heizeinrichtungen, wie elektrische Heizer, und Umfangswandungen aufweist, die aus wärmeisolierenden Strukturen erhalten wurden.

Im folgenden werden diese und andere Ziele bzw. Gegenstände sowie weitere Merkmale der Erfindung genauer unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen und auf die beigefügten. Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 stellt einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform des bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise zu verwendenden Heizofens dar

Die Fig. 2 und 3 sind schematische senkrechte Querschnitte des in der Fig. 1 dargestellten Heiz ofens, wie er in die Atmosphären-Kammer bzw. das Hochdruckgefäß eingeführt ist, und

die Fig. 4 ist eine schematische erläuternde Ansicht

einer Ausführungsform des zweiten Merkmals der Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung genauer erläutert. Die bevorzugte Ausführungsform eines Heizofens, der für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, wird zunächst erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt des 2Q Heizofens. In der Figur werden Heizelemente 2, die elektrische Heizplatten umfassen, auf einem unteren Pfropfen 1 ausgebildet und werden elektrisch isoliert in eine Wärmeisolierstruktur 3 eingeführt. Die elektrische Energie wird den Heizelementen 2 durch eine Elektrode 4 zu-2g geführt, die in dem unteren Pfropfen 1 in gasdichter Weise und im elektrisch isolierten Zustand angeordnet ist. Die Wärmeisolierstruktur 3, die eine Verfahrens-Kammer 5 einschließlich der Heizelemente 2 umgibt, umfaßt Hohlgefäße 6 und 7 vom umgekehrten Typ, die koaxial

_n zueinander angeordnet sind und einen faserförmigen Wärme ου

isolator 8, wie keramische Fasern, die dazwischen eingefüllt sind, und die Struktur 3 ist in abnehmbarer Weise an dem unteren Pfropfen 1 befestigt. Die obere Oberfläche des unteren Pfropfens 1 ist mit einem wärmeisolierenden Material 9 bedeckt. Das Innere und Äußere der °o

Verfahrens-Kammer 5 sind durch eine Öffnung 10, die in einem Teil der wärmeisolierenden Struktur 3 perforiert ist, verbunden, und das Innere der Verfahrenskammer 5

kann mit Atmosphärengas, wie einem inerten Gas, durch eine Leitung 12 beschickt werden, die in dem unteren Propfen 1 angeordnet ist, und mittels einer Öffnung 13, die in dem warmeisolierenden Material 9 ausgebildet ist.

Die Bezugsziffer 11 bezeichnet einen EIN-AUS-Regler für die Leitung 12.

Beim Heizofen mit der vorstehenden Bauweise wird die Wärmeisolierungsstruktur 3 in Aufwärtsrichtung vom un~ teren Pfropfen 1 angehoben, um das Innere der Verfahrens-Kammer 5 zu öffnen, und die geformten Produkte werden mittels des warmeisolierenden Materials 9 auf dem unteren Pfropfen 1 angeordnet. Anschließend wird das wärmeisolierende Material 3 auf dem unteren Pfropfen 1 befestigt, um die Verfahrens-Kammer 5 zu schließen, wodurch die Vorrichtung betriebsbereit wird. Es ist ersichtlich, daß die Anzahl der in den Heizofen zu beschickenden geformten Produkte wahlfrei gewählt werden kann, je nach dessen Größe und je nach dem Volumen des Heizofens zur Verbesserung der Arbeitswirksamkeit. Im Falle des Beschickung mehrerer geformter Produkte gleichzeitig werden sie im räumlichen Abstand voneinander derart angeordnet, daß sich die geformten Produkte nicht berühren, und sie werden mittels Böden von einem warmeisolierenden Material, wie Graphit, Bornitrid, Molybdän, Platin und Siliciumcarbid, schichtweise aufgebaut.

Der mit den geformten Produkten beschickte Heizofen wird anschließend in eine Atmosphären-Kammer eingeführt. Dann wird die Atmosphäre in der Kammer auf einen vorbestimmten Zustand (Kondition) gebracht, und die geformten Produkte werden in dem Heizofen durch die Heizelemente 2 vorausgehend gesintert. Die Sinterstufe wird weiter speziell unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erläutert, die eine

gg schematischen senkrechten Querschnitt des Heizofens aufzeigt, wie er in die Atmosphären-Kammer eingesetzt wurde. In der Figur läßt sich eine zylindrische Atmosphären-Kammer 14, die am Boden geöffnet ist, in gasdichter Weise

an ihrem unteren Ende mit dem unteren Pfropfen 1 des Heizofens verbinden, und an ihrem oberen Ende befindet sich ein Gasabzugsrohr 15 in Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Vakuumpumpe. Wie in der Figur gezeigt, ° befindet sich der Heizofen in der Atmosphären-Kammer 14, und der untere Pfropfen 1 ist sicher an dem Boden der Atmosphären-Kammer 14 befestigt, um das Innere abzudichten. Anschließend wird das Innere der Verfahrens-Kammer durch eine vorbestimmte Atmosphäre durch Evakuieren des Inneren durch das Abzugsrohr 15 oder durch Beschicken eines Inertgases, wie Stickstoff, Argon und Helium, aus der Leitung 12 in das Innere unter gleichzeitigem Abzug des Gases aus dem Inneren ersetzt. Im Falle des Evakuierens kann das Innere der Verfahrens-Kammer 5 auch durch eine Vakuum-Atmosphäre durch die Öffnung 10 durch Schliessen des Ventils 12 ersetzt werden. Darüber hinaus wird durch Öffnen des Ventils 11 und Beschicken des Atmosphärengases aus der Leitung 12 das Innere der Verfahrens-Kammer 5 und der Atmosphären-Kammer 14 mit dem Atmosphärengas beschickt, das durch die Öffnung 13 läuft. Darüber hinaus tritt, wenn das Atmosphärengas aus dem Gasablaßrohr 15 abgeführt wird, das Atmosphärengas, das von der Leitung 12 beschickt wird, durch die Öffnung 13, die Verfahrens-Kammer 5 und durch die Öffnung 10 in den Raum zwischen der Atmosphären-Kammer 14 und dem Heizofen ein und wird anschließend aus dem Gasablaßrohr 15 abgeführt, und die geformten Produkte 17 können einem Strom des Atmosphärengases unter einem wahlfrei gesetzten Druck ausgesetzt werden. In jedem Falle ist es günstig, den Druck im Inneren der Atmosphären-Kammer 14 etwa unter dem Atmosphärendruck zu halten, so daß keine große Gasmenge in die Formprodukte absorbiert wird.

Nach dem Konditionieren des Inneren der Atmosphären-Kammer 14 auf eine vorbestimmte Atmosphäre, wie vorstehend erwähnt, werden die geformten Produkte vorausgehend gesintert durch Zufuhr von elektrischem Strom zu den Heizelementen 2. Es ist erforderlich, daß die Heiz-

temperatur sich auf einem derartigen Niveau befindet, das zumindest ausreicht, um einen plastischen Fluß in den Teilchenbestandteilen der geformten Produkte zu bewirken. Da es günstig ist, die Relative Dichte der vorgesinterten Produkte auf mindestens 90 % zu steigern, um eine ausreichende Kompaktierung durch das anschliessende HIP-Verfahren zu erzielen, ist es bevorzugt, die Heiztemperatur und die Heizzeit derart zu wählen, daß eine derartige relative Dichte erreicht wird.

Wenn das vorausgehende Sintern so vollendet ist, wird die Vakuum-Atmosphäre beispielsweise durch ein adäquates inertes Gas ersetzt. Anschließend wird der untere Pfropfen 1 von der Atmosphären-Kammer 14 entfernt, und der Heizofen, der die gesinterten Produkte enthält, wird aus der Atmosphären-Kammer 14 entnommen und direkt in die Hochdruck-Kammer zur Anwendung des HIP-Verfahrens eingesetzt. Die Stufe des Verfahrens wird genauer in der Fig. 3 erläutert, die einen schematischen senkrechten Querschnitt des Heizofens zeigt, eingesetzt in die Hochdruck-Kammer.

In der Fig. 3 umfaßt die Hochdruck-Kammer einen druckbeständigen Zylinder 18 und einen oberen Pfropfen 19, der das obere Ende davon in gasdichter Weise abschließt. Durch Befestigen des unteren Pfropfens 1 in gasdichter Weise am unteren Ende des Zylinders wird eine Hochdruck-Kammer 20 im Inneren des Zylinders ausgebildet. Der obere Pfropfen 19 ist mit einer Leitung 21 zur Beschickung und

«ο ^zum Abzug von Gas als Druckmedium perforiert. Bei dieser Ausführungsform werden der obere Pfropfen 19 und der untere Pfropfen 1 zwischen Druckvorrichtungen 22, 22^f unter Druck gehalten, um eine Loslösung während des Betriebs zu vermeiden.

In der Vorrichtung mit der vorstehenden Struktur wird der Heizofen in das Hochdruckgefäß eingeführt und dort angeordnet durch Befestigen des unteren Propfens 1, der

den Heizofen darauf trägt, dessen Inneres bei einer erhöhten Temperatur gehalten wird, an das untere Ende des druckbeständigen Zylinders 18 in gasdichter Weise. Das HIP-Verfahren wird angewendet, während das Gasmedium aus der Leitung 21 zu der Hochdruck-Kammer 20 unter Druck geführt wird, wobei das Ventil 11 geschlossen wird und elektrischer Strom den Heizelementen 2 zugeführt wird, um die Heizung in Betrieb zu erhalten und die Temperatur im Inneren des Ofens dadurch zu erhöhen. Der Druck wird angelegt unter Anwendung eines Inertgases, wie Stickstoff, Argon und Helium, bei hohem Druck, wie mindestens etwa 500 bar (etwa 500 atm) als Gasmedium. Die Temperatur wird in geeigneter Weise auf einem derart hohen Niveau gewählt, wie es erforderlich ist, um einen plastischen Fluß in dem Material der gesinterten Produkte zu bewirken. Durch das HIP-Verfahren werden die gesinterten Produkte zu gesinterten Produkten hoher Dichte mit einer relativen Dichte nahe der theoretischen Dichte kompaktiert. Nach Beendigung des HIP-Verfahrens und nach der Rückkehr des Druckes im Inneren des Ofens auf einen Normaldruck durch Abziehen des Gasmediums von der Leitung 21 werden die Druckvorrichtungen 22, 22' entfernt, der untere Pfropfen 1 wird von dem druckbeständigen Zylinder 18 losgelöst, und der Heizofen und die darin beschickten gesinterten Produkte werden zusammen aus dem Hochdruckgefäß entnommen. Anschließend wird die Heizisolierstruktur 3 geöffnet, um die gesinterten Produkte hoher Dichte zu entnehmen.

Gemäß der ersten erfindungsgemäßen Verfahrensweise, wie sie vorstehend genauer beschrieben wurde, können, da das vorausgehende Sintern durch kombinierte Anwendung des beweglichen Heizofens und der Atmosphären-Kammer, gefolgt von dem HIP-Verfahren durch kombinierte Anwendung des Heizofens und des Hochdruckgefäßes, durchgeführt wird, die Installationskosten stark verringert werden, der Verlust an Wärmeenergie kann auf ein Minimum herabgesetzt v/erden, und die Betriebs ze it der HIP-Vor-

• 1 richtung wird verkürzt, so daß die Zykluszeit des HIP-Verfahrens sehr stark verringert wird im Vergleich mit dem üblichen Verfahren, bei dem ein teurer Ofen für das vorausgehende Sintern ausschließlich verwendet wird, oder werden sowohl das vorausgehende Sintern als auch das HIP-Verfahren nacheinander in einer identischen HIP-Vorrichtung durchgeführt. Das erste Merkmal der Erfindung wie vorstehend beschrieben führt zum zweiten Merkmal, durch das eine Sintermethode für hohe Dichte ermöglicht wird, basierend auf einem wirksameren HIP-Verfahren unter Verwendung einer geschickten Kombination mehrerer Heizvorrichtungen, einer oder mehrerer Atmosphären-Kammern und eines Hochdruckgefäßes, und Rationalisieren der Verfahrensstufen nach einem vorbestimmtem Programm; diese zweite Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im folgenden erläutert.

Die Fig. 4 stellt eine schematische erläuternde Ansicht einer Ausführungsform der zweiten Ausführungsform der Erfindung dar. In der Figur ist der Heizofen 26, wie in der Fig. 1 gezeigt, auf einem Träger 25 befestigt, der senkrecht in beweglicher Weise von einem Trägervehikel 24 herabhängt, das auf einer Schiene 23 laufen kann. Eine oder mehrere Atmosphären-Kammern 14, 14' und eine Hochdruck-Kammer 27 sind in einer Reihe längs und über der Schiene 23 angebracht. Jede der Atmosphären-Kammern 14, .14' und das Hochdruckgefäß 27 weisen die gleiche Struktur wie in der Fig. 2 bzw. der Fig. 3 gezeigt auf. Bei dieser Ausführungsform werden drei Einheiten von Heizöfen bereitgestellt, d.h. ein erster Heizofen 26, der bereit ist zur Beschickung mit den geformten Produkten, ein zweiter Heizofen 26·, der in die Atmosphären-Kammer 14' eingesetzt ist, und ein dritter Heizofen 26", der in das Hochdruckgefäß 27 eingeführt

gg ist, zwei Einheiten von Atmosphären-Kammern 14, 14' und eine Einheit einer Hochdruck-Kammer 2 7. Die Druckvorrichtungen 22, 22' zum Halten des oberen Pfropfens und des unteren Pfropfens des Hochdruckgefäßes 27 können

auf einer Schiene 29 laufen und zu einer zurückgezogenen Position bewegt werden, während sie auf einem Vehikel 28 getragen werden.

In der Vorrichtung mit der vorstehenden Bauweise wird der erste Heizofen 26 nach der Beschickung mit den geformten Produkten nach Verfahrensweisen, wie vorstehend erwähnt, unmittelbar unter der Atmosphären-Kammer 14 angebracht und anschließend durch Einwirkung.einer Hebelvorrichtung angehoben und in die Atmosphären-Kammer 14 eingeführt. Anschließend werden der untere Pfropfen 1 und der Boden der Atmosphären-Kammer 14 miteinander in gasdichter Weise verbunden. In diesem Zustand wird das Innere des Ofens auf eine vorbestimmte Atmosphäre konditioniert, und die Temperatur wird durch die vorstehend erwähnten Verfahrensweisen angehoben, und es wird das vorausgehende Sintern durchgeführt.

Während außerdem das HIP-Verfahren in dem Hochdruckgefäß 27 beendet wurde, wird etwa gleichzeitig das vorausgehende Sintern in dem zweiten Heizofen 26', der sich in der Atmosphären-Kammer 14' befindet, beendet. Anschließend wird jeder der Heizöfen 26', 26" unter Verwendung des Trägervehikels 24 entnommen, wobei der zweite Heizofen 26' unmittelbar in das Hochdruckgefäß 27 eingeführt, aus dem der dritte Heizofen 26" entnommen wurde, und das HIP-Verfahren wird begonnen. In dem dritten Heizofen 26" werden die gesinterten Produkte hoher Dichte durch die zu verarbeitenden geformten Produkte ersetzt, die in die Atmosphären-Kammer 14' eingeführt und vorausgehend gesintert werden.

Bei der Durchführung der vorstehenden aufeinanderfolgenden Stufen kann das HIP-Verfahren nacheinander durchgc geführt werden mit einer minimalen Intervall-Wirksamkeit durch Auswahl verschiedener Bedingungen, derart, daß die HIP-Verfahrenszeit in dem Hochdruckgefäß etwa l/2 der Zeit für das vorausgehende Sintern in der Atmosphären-

Kammer ist, und durch geeignetes Einstellen des Programms für die Temperatursteigerung, das Beschicken und die Entnahme und den Transport jedes der Heizöfen.

Wie vorstehend speziell ausgeführt wurde, besteht bei. einem üblichen Verfahren, bei dem das vorausgehende Sintern unter Anwendung eines eigenen Ofens durchgeführt wird und anschließend die gesinterten Produkte einmal gekühlt und dann in die HIP-Vorrichtung für das anschließende HIP-Verfahren übergeführt werden, ein großer Verlust an Wärmeenergie, wobei das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil ergibt, den Wärmeenergieverlust beträchtlich zu verringern, da das vorausgehende Sintern in einem beweglichen Heizofen durchgeführt wird und das anschließende HIP-Verfahren durchgeführt werden kann, während das Innere des Ofens, so wie es ist, im Zustand einer hohen Temperatur gehalten werden kann. Außerdem werden bei einem anderen üblichen Verfahren unter Durchführung des vorausgehenden Sinterns in der HIP-Vorrichtung unter Erwärmen der geformten Produkte unter verringertem Druck während eines langen Zeitraums und Druckanlegen unter dem Mediumgas äußerst lange Erwärmungszeiten unter dem verringertem Druck notwendig durch die Struktur der HIP-Vorrichtung, die für das Erwärmen unter hohem Druck geeignet ist, und es wird eine kostspielige HIP-Vorrichtung während langer Zeit besetzt. Erfindungsgemäß wird durch die Verwendung eines beweglichen Heizofens und durch die Anwendung von Wärme unter verringertem Druck in einer getrennten Atmosphären-Kammer die Benutzungszeit extrem verringert; auch kann das Einführen des Heizofens im erwärmten Zustand in das Hochdruckgefäß, gefolgt von einem direkten Beginn der Druckanlegestufe, gekuppelt mit der Ausräumung der Notwendigkeit einer Kühlung des' Hochdruckgefäßes jeweils nach dem HIP-Verfahren, die Zykluszeit für das HIP-Verfahren verringert werden, wodurch eine Sintermethode für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte bereitgestellt wird, die eine ausgezeichnte Arbeits-

!Leistungsfähigkeit und Produktivität aufweist.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Beispiel 1

Ein Vakuum-Sintern und HIP-Verfahren wurden auf Sintercarbid (cemented carbide) angewendet unter Anwendung der in der Fig. 4 gezeigten Vorrichtung und gemäß dem nachstehend erläuterten Verfahren.

94 Gewichtsteile WC-Pulver von 0,5 um bzw. u durchschnittlicher Teilchengröße und 6 Gewichtsteile Co-PuIver von 0,5 um bzw. u durchschnittlicher Teilchengröße wurden naß in Aceton als Lösungsmittel vermählen unter Verwendung von Sintercarbid-Kugeln in einem Gefäß aus rostfreiem Stahl während 4 Tagen. Anschließend wurde Paraffin zugesetzt, und es wurde unter einem Druck von etwa 1000 bar (1000 kgf/cm )geformt. Nach dem Einbringen

*® der so erhaltenen geformten Produkte in den Heizofen 26, der in der Fig. 4 gezeigt wird, wurde der Heizofen in die Atmosphären-Kammer 14 eingebracht, und es wurde evakuiert. Anschließend wurde elektrischer Strom an die Heizvorrichtung 2 angelegt, und die Temperatur wurde

²^ 1 Stunde bei 1300⁰C gehalten, um vorausgehend zu sintern. Anschließend wurde Argongas in die Atmosphären-Kammer 14 etwa auf Atmosphärendruck eingespritzt. Der Heizofen 26 wurde aus der Atmosphären-Kammer 14 entnommen und in das Hochdruckgefäß 27 übergeführt, wäh-

rend Argongas eingeführt, und das HIP-Verfahren wurde unter Bedingungen von 1300°C und etwa 1000 bar (1000 kgf/cm ) eine Stunde durchgeführt. Nach Verringern des Drucks wurde der Heizofen 26 entnommen, während das Innere des Ofens bei seiner hohen Temperatur gehalten wurde.

Die Verarbeitungszeit in der Atmosphären-Kammer betrug 7,5 Stunden, während die für das HIP-Verfahren erforder-

-σοι liehe Zeit etwa 2,5 Stunden betrug. Die relative Dichte der gesinterten Produkte betrug 96 %, während die relative Dichte des WC-6 Gew.-% Co-Sintercarbids der Sinterprodukte hoher Dichte nach dem HIP-Verfahren etwa 100 % und die Biegefestigkeit 210 kgf/mm betrug.

Beispiel 2

Es wurden die gleichen Stufen wie im Beispiel 1 durchgeführt unter Verwendung von drei Einheiten von Atmosphären-Kammern und vier Einheiten von Heizöfen pro eine Einheit Hochdruckgefäß und Anwenden der Vorsinterstufe nacheinander mit einer Zeitverzögerung von 2,5 Stunden zur Erzielung von Sinterprodukten hoher Dichte aus Sintercarbid mit hoher Qualität während jeweils 2,5 Stunden.

Beispiel 3

Zu 89 Gewichtsteilen Siliciumnitridpulver von 0,7 pm o_n bzw. u durchschnittlicher Teilchengröße wurden 6 Gewichtsteile Y₂°3' ² Gewichtsteile Al₃O₃ und 3 Gewichtsteile MgO-Pulver gefügt, und es wurde naß in einer Aluminiumkugelmühle unter Verwendung von Aceton als Lösungsmittel kompoundiert. Nach dem Trocknen wurde unter Anwendung einer _oc- hydrostatischen Presse unter einem Druck von etwa 1500 bar (1500 kgf/cm ) geformt. Die relative Dichte der Formprodukte, die so erhalten wurden, betrug etwa 60 %. Die Formprodukte wurden in einen BN-Schmelztiegel eingebracht und in den Heizofen 26, der in der Fig. 4 dargestellt ist, beschickt» Der Heizofen 26 wurde in die Atmo-'

sphären-Kammer 14 eingeführt, und es wurde unter einem

Stickstoffgasstrom vorausgehend gesintert, wobei Stromkraft der Heizvorrichtung 2 zugeführt wurde, um die Temperatur auf 1000⁰C anzuheben, welche 30 Minuten gehalten wurde. Anschließend wurde der Heizofen aus der 35

Atmosphären-Kammer 14 entnommen und in das Hochdruckgefäß 27 eingeführt, in das Stickstoffgas eingespritzt wurde, um das Gefäß unter Druck zu bringen, und gleich-

zeitig wurde die Temperatur auf 1700°C angehoben und 1 Stunde gehalten. Wenn die Temperatur im Inneren der Verfahrens-Kammer 5 unter Verringerung des Erhitzens des Heizofens 26 auf 1200°C abgesunken war, wurde der Druck auf Atmosphärendruck verringert, und der Heizofen 26 wurde aus dem Hochdruckgefäß 27 entnommen. Die für das HIP-Verfahren erforderliche Zeit betrug etwa 8,5 Stunden. Die relative Dichte der vorgesinterten Produkte betrug 92 %, während die relative Dichte der-so erhaltenen gesinterten Produkte hoher Dichte etwa 100 % betrug.

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Claims

Case Sho 56-138012 KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO, Kobe / Japan Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte Patentansprüche

1. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher

Dichte durch vorausgehendes Sintern von vorhergehend zu einer vorbestimmten Gestalt geformten Pulver-geformten Produkten und anschließendes Anwenden eines isostatischen Heißpreßverfahrens auf diese gesinterten Produkte, wordurch gesinterte Produkte hoher Dichte erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Pulver-geformten Produkte in einen beweglichen Heizofen einführt, der mit einer Heizvorrichtung ausgerüstet ist und eine Wärmeisolierstruktur aufweist, daß man

^ diesen Heizofen in eine Atmosphären-Kammer einführt, die Pulver-geformten Produkte in dem Heizofen mittels der Heizvorrichtung vorausgehend sintert, während das Innere der Atmosphären-Kammer auf ein Vakuum oder eine vorbestimmte Gas-Atmosphäre konditioniert wird, worauf man den Heizofen aus der Atmosphären-Kammer entnimmt, wobei das Innere des Ofens so, wie es ist, auf einer hohen Temperatur gehalten wird,und den Ofendirekt in ein Kochdruckgefäß einführt, an-

* schließend die vorausgehend gesinterten Produkte in

dem Ofen einem isostatischen Hexßpreßverfahren unterzieht, wobei ein Gas als Druckmedium unter Druck in • das Hochdruckgefäß eingeführt wird und die Tempera- ° tür in dem Heizofen durch die Heizvorrichtung erhöht wird, wodurch gesinterte Produkte hoher Dichte erhalten werden, worauf der Heizofen zusammen mit den in diesem beladenen Sinterprodukten aus dem Hoch~ druckgefäß nach Beendigung des isostatischen HeißpreßVerfahrens entnommen wird.

2. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver-geformten Produkte keramische Formprodukte sind.

3. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen geformten Produkte Siliciumnitrid-Formprodukte sind und sowohl die Atmosphäre für das vorausgehende Sintern in der Atmosphären-Kammer als auch das Gas als Druckmedium in dem Hochdruckgefäß Stickstoffgas sind.

4. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver-geformten Produkte Pulver-geformte Metallprodukte sind.

5. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorausgehend gesinterten Produkte eine relative Dichte von über 90 % aufweisen.

6. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte durch vorausgehendes Sintern von vorher zu einer vorbestimmten Gestalt geformten Pulver-geform-

ten Produkten und anschließendes Anwenden eines isostatischen Heißpreßverfahrens auf die vorgesinterten Produkte zur Erzielung von gesinterten Produkten hoher Dichte, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere bewegliche Heizöfen verwendet, die jeweils mit einer Heizvorrichtung und einer Wärmeisolierstruktur ausgerüstet sind und eine oder mehrere Atmosphären-Kammern und eine Hochdruck-Kammer verwendet und die aufeinanderfolgenden Stufen des Be-

■^ schickens der Pulver-geformten Produkte in den ersten Heizofen, des Einführens des Heizofens in die Atmosphären-Kammer, der Durchführung eines vorausgehenden Sinterns der Pulver-geformten Produkte in dem ersten Heizofen durch die Heizvorrichtung, während das Innere der Atmosphären-Kammer auf ein Vakuum oder eine vorbestimmte Gas-Atmosphäre konditioniert wird, worauf der Heizofen aus der Atmosphären-Kammer entnommen wird, während das Innere des Ofens so, wie es ist, bei einer hohen Temperatur gehalten wird, und der Ofen direkt in das Hochdruckgefäß eingeführt wird, worauf die gesinterten Produkte in dem Heizofen einem isostatischen Heißpreßverfahren unterzogen werden, während ein Gas als Druckmedium unter Druck in das Hochdruckgefäß eingeführt wird und die Temperatur in dem Heizofen durch die Heizvorrichtung erhöht wird, wiederholt, während außerdem ein zweiter Heizofen, der mit den Pulver-geformten Produkten beschickt ist, in die Atmosphären-Kammer eingeführt wird und die Pulver-geformten Produkte in gleicher Weise wie vorstehend im Verlauf des isostatischen Preßverfahrens vorausgehend gesintert v/erden und der zweite Heizofen, während das Innere des Ofens so, wie es ist, bei einer hohen Temperatur gehalten wird, in das Hochdruckgefäß eingeführt wird, aus dem der erste Heizofen nach Beendigung des isostatischen HeißpreßVerfahrens entnommen wurde.

7. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver-geformten Produkte keramische geformte Produkte sind.

8. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen geformten Produkte Siliciumnitrid-Produkte sind und sowohl die Atmosphäre· für das vorausgehende Sintern in der Atmosphären-Kammer als auch das Gas als Druckmedium für das Hochdruckgefäß Stickstoffgas sind.

9. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver-geformten Produkte Pulver-geformte Metallprodukte sind.

10. Sinterverfahren für Pulver-geformte Produkte hoher Dichte nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vorausgehend gesinterten Produkte eine relative Dichte von größer als 90 % aufweisen.